BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM KÖZLEKEDÉSMÉRNÖKI KAR
Gyors prototípusgyártás feltételrendszerének kidolgozása lézeres szinterezéshez és az Fe-Ni-Cu(P) alapú modellek tulajdonságainak vizsgálata című doktori értekezés összefoglaló kivonata
Készítette: Herczeg Szabolcs okleveles gépészmérnök
Témavezető: dr. Takács János tanszékvezető, egyetemi tanár
Budapest 2006
TARTALOMJEGYZÉK
1. Bevezetés ............................................................................................................. 1 2. A kutatás célkitűzése ........................................................................................... 2 3. Vizsgált anyagok, alkalmazott eszközök, módszerek .......................................... 2 3.1. Vizsgált anyagok .......................................................................................... 2 3.2. Kísérleti eszközök és módszerek .................................................................. 3 3.3. Vizsgálatok során használt eszközök............................................................ 4 4. A lézeres szinterezési kísérletek előkészítése és eredményei .............................. 5 4.1. Fémporok lézeres szinterezését befolyásoló tényezők meghatározása ......... 5 4.2. A pásztázási sebesség hatása és korlátai....................................................... 6 5. A tribológiai vizsgálatok eredményei ................................................................ 10 5.1. Súrlódási tényező változása a súrlódási út függvényében .......................... 10 5.2. Koptatási sebesség hatása a súrlódási tényezőre ........................................ 11 5.3. A terhelő erő hatása a súrlódási tényezőre.................................................. 13 5.4. Hőmérséklet vizsgálatok a koptatási folyamatokban.................................. 15 6. Az eredmények összefoglalása .......................................................................... 16 7. A tudományos eredmények összefoglalása tézisekben...................................... 18 8. Köszönetnyilvánítás........................................................................................... 19 9. A disszertációval kapcsolatos publikációk ........................................................ 20 10. A tézisfüzetben hivatkozott irodalmak ............................................................ 21
1. Bevezetés A tudományos közlemények értékelése alapján megállapítható, hogy a lézeres szinterezés korszerű, speciális igényeket kielégítő gyors prototípusgyártó technológia [1, 2, 3, 4, 5]. Az elmúlt évek növekedéséből kiindulva alkalmazásának további bővülése várható a jövőben [6, 7, 8, 9, 10]. A lézer szinterezett kötés létrejöttét több tényező együttesen befolyásolja. Ezen tényezőket még nem foglalták össze, kapcsolat-rendszerüket hiányosan tárták fel. A hiányosságok miatt csak következtetni tudunk a lézeres szinterezésnél lejátszódó folyamatok részleteire. A lézer szinterezett munkadarabok használhatóak szemléltető modellként, és készíthető vele olyan funkcionális prototípus is, amely beépítésre alkalmas. Szemléltető modelleknél a geometriai tulajdonságok a jelentősek, funkcionális használatkor a szilárdsági tulajdonságok kerülnek előtérbe. Több szerző is említést tesz arról, hogy a pásztázási sebesség, az átlapolás, a rétegvastagság és a lézersugár teljesítménye hogyan befolyásolja a szemcsék között létrejött kötést, de ezek mechanikai tulajdonságokra történő optimalizálásáról nincs információ. Az irodalmi összefoglaló alapján a lézeres szinterezéshez egyik legjobban ajánlott anyag a Fe-Ni-Cu(P) fémporkeverék. Ennek ellenére nem találhatók technológiai paraméterekre vonatkozó adatok a lézeres szinterezés irodalmában. Erre csak következtetni tudunk más kutatók vas, réz és nikkel porokkal végzett vizsgálataiból [11, 12, 13, 14, 15]. A lézer szinterezett munkadarabok funkcionális alkalmazásakor fontos, hogy milyen a várható élettartamuk. Az irodalmi feldolgozás során kiderült, hogy alkalmazásuk során gyakran kerülnek kapcsolatba műanyag alkatrészekkel ezek a szinterezett munkadarabok [5, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23]. Ennek ellenére csak elvétve találtam adatokat a tribológiai viszonyokról lézer szinterezett fém és műanyag alkatrész között. A lejátszódó folyamatokra csak következtetni lehet tömör fém (acél) és műanyag alkatrészekkel végzett tribológiai vizsgálatokból [24, 25, 26, 27, 28, 29], illetve bevonattal ellátott gyors prototípusokon végzett kopás vizsgálatokból [30]. A tribológiai kutatások során a legtöbbször elemzett tulajdonságok a súrlódási tényező és a kopás sebessége. Ezeket befolyásoló tényezők a terhelés, a relatív csúszási sebesség, a hőmérséklet, a környező közeg és az érintkező felületek geometriája, érdessége, keménysége. Összességében megállapítható, hogy a két nagy tudomány terület, a gyors prototípusgyártás és a tribológia, együttesen alig került vizsgálatra, miközben a valós felhasználás során a gyakorlati eredmények tudományos megalapozása volna szükséges.
1
[17] F. Miani, E. Kuljanic, M. Sortion: Modelling the Mechnical Properties of Direct Metal Selectively Laser Sintered Parts; Proceeding of LANE 2001, Meisenbach Verlag, Bamberg 2001 pp.: 383 - 390., ISBN 3-87525-154-7 [18] F. Niebling, A. Otto, M. Geiger: FE-Simulation des selektiven Laserstrahlsinterns von Metallpulver; Laser Opto 32(6), 2000 - pp.: 68 - 71. [19] M. Anton: LS Laser Sintern - Herstellungsverfahren für Metallische Prototypen; Rapid Prototyping and Tooling VDI-Berichte Nr. 1686, 2002 - pp.: 92-95., ISBN 3-18-091686-9 [20] G. Witt, T. Brei: Vom Metallpulver zum Gesenk / Bauteil; Rapid Prototyping and Tooling VDIBerichte Nr. 1686, 2002 - pp.: 69-89., ISBN 3-18-091686-9 [21] C. Ader: Direktes Lasersintern keramischer Feingusskomponenten; Rapid Prototyping and Tooling VDI-Berichte Nr. 1686, 2002 - pp.: 57-67., ISBN 3-18-091686-9 [22] M. Meindl: Indirektes Metall-Lasersintern für den Einsatz im Rapid Manufacturing; Laser Opto 32(6), 2000 - pp.: 72 - 75. [23] D. Nellessen: Rapid Technologies im Versuchsfahrzeugbau; Rapid Prototyping and Tooling VDIBerichte Nr. 1686, 2002 - pp.: 3 - 16., ISBN 3-18-091686-9 [24] S. Apichartpattanasiri, J. N. Hay, S. N. Kukureka: A study of the tribological behaviour of polyamide 66 with varying injection-moulding parameters; Wear 251, 2001, pp.: 1557 - 1566. [25] Valasek I.: Tribológiai kézikönyv; Tribotechnik Kft, Budapest 1996 , ISBN 963 02 98368 [26] H. Unal, U. Sen, A. Mimaroglu: Dry sliding wear characteristics of some industrial polymers against steel counterface; Tribology International 37, 2004 - pp.: 727 - 732. [27] Y. K. Chen, O. P. Modi, A. S. Mhay, A. Chrysanthou, J. M. O'Sullivan: The effect of different metallic counterface materials and different surface treatments on the wear and friction of polyamide 66 and its composite in rolling-sliding contact; Wear 255, 2003, pp.: 714 - 721. [28] Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA): Kenndaten für die Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe, Teil 3, Tribologie; Carl Hanser Verlag, München 1983 - p.: 530., ISBN 3-446-13062-4 [29] Z. Chen, T. Li, Y. Yang, X. Liu, R. Lv: Mechanical and tribological properties of PA/PPS blends; Wear 257, 2004, pp.: 696 - 707. [30] J. Takács, L. Tóth, F. Franek, A. Pauschity, T. Sebestyén: Investigation of Tribological Properties of Laser-Sintered and Coated Parts, 2nd Word Tribology Congress, Vienna, September 3 - 7. 2001, ISBN 3-901657-08-8 [31] Kalácska G.: Műszaki műanyagok gépészeti alapjai; Minerva-Sop bt, Sopron 1997 - p.: 120., ISBN 963 04 8704 7 [32] Quadrant GmbH. on-line termékkatalógus, webhely: www.quadrantplastics.com [33] J & A Plastics GmbH. on-line termékkatalógus, webhely: www.j-a.de [34] Ensinger Ltd. on-line termékkatalógus, webhely: www.ensinger.ltd.uk
22
[S18] [S19] [S20]
[S21]
Herczeg Sz.: Újdonságok a lézeres gyártás területén, Magyar Műszaki Magazin III. évf. 11. szám, 2004. november, pp. 44-45, ISSN 1588-9300 Takács J., Herczeg Sz.: Gyors prototípus-készítés, Gép Műszaki Folyóirat LV. évf. 12. szám, 2004. december, pp. 42-47, ISSN 0016-8572 Sz. Herczeg, J. Takács: Investigation of wearing surface of selective-laser-sintered rapid prototyping specimens, Proceedings of 22nd International Colloquium on Advanced Manufacturing and Repair Technologies in Vehicle Industry, Czestochowa, may 18-20, 2005, pp. 55-60., ISBN 80-8070-393-0 Herczeg Sz., Takács J.: Gyors szerszámgyártás a járműiparban, 36. Autóbusz Szakértői Tanácskozás Nemzetközi Gépjárműbiztonsági Konferencia, 2005. augusztus 29-31., CD-ROM, 5. szekció: Gyártás, technológia, ISBN 963219070-X
10. A tézisfüzetben hivatkozott irodalmak [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16]
21
F. Niebling, A. Otto: FE-Simulation of the Selective Laser Sintering Process of Metallic Powders; Proceeding of LANE 2001, Meisenbach Verlag, Bamberg 2001 - pp.: 371 - 382., ISBN 3-87525-154-7 Ph. Clementz, J. N. Pernin: Homogenization modeling of capillary forces in selective laser sintering; International Journal of Engineering Science 41, 2003 - pp.: 2305 - 2333. J. P. Kruth, L. Froyen, J. Van Vaerenbergh, P. Mercelis, M. Rombouts, B. Lauwers: Selective laser melting of iron-based powder; Journal of Materials Processing Technology 149, 2004 pp.: 616 - 622. M. L. Murphy, W. M. Steen, C. Lee: The Rapid Manufacture of Metallic Components by Laser Surface Cladding; Proceedings of the LANE'94, Vol. II., 1994 - pp.: 803 - 813., ISBN 3-87525-061-3 O. Nyrhilä, J. Hänninen, J. Kotila, J.-E. Lind, T. Syvänen: The Effect of Layer Thickness in the Direct Metal Laser Sintering Process; Proceeding of LANE 2001, Meisenbach Verlag, Bamberg 2001 - pp.: 363 - 370., ISBN 3-87525-154-7 R. Leibelt, R. Dierken, P. Hoffman: Laser Sintering of Iron Based Powders; European Conference on Laser Treatment of Materials, Hanover, September 22 - 23. 1998 - pp.: 431 - 436, ISBN 3-88355-263-1 M. Shellabear, O. Nyrhilä: DMLS - Development History and State of the Art; Proceeding of LANE 2004, Meisenbach Verlag, Bamberg 2004 - pp.: 393 - 404, ISBN 3-87525-202-0 T. Wohlers: State of the Industry and Technology Update, Proceedings of EuroMould 2003 Szabó O.:Fejlődési trendek a mikrométer- és nanométer pontosságú gyártásban (Plenáris előadás / cikk); Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka IX.kötet, EME, Kolozsvár, 2004. pp. XVIIXXVIII.(12p.) ISBN 973-8231-2o-4 Szabó Ottó:High Accuracy Machining and Technology of Form Surfaces; Production Process and Systems, A Publication of the University of Miskolc. Vol. 1 (2oo2), University Press, Miskolc, 2oo2. pp.223-228. HU ISSN 1215-0851 D. Binder: New solution for the improvement of metallic prototypes regarding surface quality, dimensional changes and solidity; European Conference on Laser Treatment of Materials, Hanover, September 22 - 23. 1998 - pp.: 425 - 430, ISBN 3-88355-263-1 W. König, T. Celiker, Y.-A. Song: Process Development for Direct Manufacturing of Metallic Parts; Proceedings of the LANE'94, Vol. II., 1994 - pp.: 785 - 792., ISBN 3-87525-061-3 H. H. Zhu, L. Lu, J. Y. H. Fuh: Development and characterisation of direct laser sintering Cubased metal powder; Journal of Materials Processing Technology 140, 2003 - pp.: 314-317. B. ODonnchadha, A. Tansey: A note on rapid metal composite tooling by selective laser sintering; Journal of Materials Processing Technology 153-154, 2004 - pp.: 28 - 34. D. King, T. Tansey: Rapid tooling selective laser sintering injection tooling; Journal of Materials Pocessing Technology 132, 2003 - pp.: 42 - 48. G. Reinhart, M. Meindl, M. Carnevale: Indirect Metal Laser Sintering Supporting Pressure Die Casting; Proceeding of LANE 2001, Meisenbach Verlag, Bamberg 2001 - pp.: 341 - 352., ISBN 3-87525-154-7
2. A kutatás célkitűzése Az irodalomban közzétettek alapján a következő kutatási célokat tűztem ki: • CO2 lézeres szinterezéssel gyártott munkadarabok tulajdonságait befolyásoló főbb tényezők meghatározása, azok hatásainak vizsgálata, majd a fémporok lézeres szinterezését közelítő folyamatmodell felállítása; • a vasalapú porok lézeres szinterezését befolyásoló főbb tényezőknek a mechanikai tulajdonságokra gyakorolt hatásának vizsgálata; • a lézersugár pásztázási sebességének optimalizálása a szinterezett darab nyomószilárdsági tulajdonságai és a pásztázási sebesség összefüggésének vizsgálata alapján; • a lézer szinterezett modelleken tribológiai vizsgálatok végzése szálerősítésű műanyaggal, különös tekintettel a súrlódási viszonyok változására o tribológiai jelenségek változásának vizsgálata a koptatási út függvényében; o tribológiai jelenségek feltárása változó terhelésnél és koptatási sebességnél. 3. Vizsgált anyagok, alkalmazott eszközök, módszerek 3.1. Vizsgált anyagok A lézeres szinterezés anyagául egy vas-nikkel-foszforbronz fémporkeveréket választottunk ki. A keverék 72 tömeg% vasporból, 20 tömeg% nikkelporból és 8 tömeg% foszforbronzporból áll. A foszforbronz eutektikus összetételű, azaz 8,4 tömeg% foszfort tartalmaz. A modellvizsgálatokhoz a por alapanyagból hengeres alakú (ø10 mm x 15 mm) munkadarabokat szintereztem (3.1. ábra). CO2 lézert használva, folyamatos üzemmódban, 150 W teljesítménnyel, 0,2 mm fókuszfolt átmérővel és 0,1 mm-es pásztázási távolsággal. A lézeres szinterezést 200, 300, 400, 500 és 600 mm/s-os lézerfolt pásztázási sebesség értékekkel végeztem, argon védőgáz atmoszférában, légköri nyomáson, környezeti hőmérsékleten. A porterítés során a rétegvastagság 0,1 mm volt. A pásztázás az egymást követő rétegeknél 90o-os elforgatással történt.
3.1. ábra A vizsgálatokhoz készített próbadarabok és gyártási méretei
2
A súrlódási vizsgálatokhoz poliamid tárcsát használtam. A nagyobb koptató hatás miatt a poliamid 30 %-ban üvegszálat tartalmazott, amelyben az üvegszál darabok átmérője 10 µm, az üvegszál darabok végei törtek voltak. A termék pontos megnevezése: Ertalon® 66-GF30. A koptató tárcsa átmérője 35 és 40 mm között változott, a szélessége 3 mm. A kísérletek megkezdése előtt a tárcsa felületéti érdessége Ra ≈ 1,6 µm. A tárcsákat a vizsgálat előtt légkondicionált helységben, állandó páratartalom (30%) mellett legalább 1 napig kondicionáltuk. 3.2. Kísérleti eszközök és módszerek Az iparban már használnak lézeres szinterező berendezéseket, de a folyamatok vizsgálatához szükség volt egy olyan berendezés kifejlesztéséhez, amely a paraméterek jóval szélesebb tartományban történő beállítását teszi lehetővé. A BME Járműgyártás és -javítás Tanszékén a lézeres szinterezéshez szobahőmérsékleten és védőgáz atmoszférában működő lézer szinterező modell rendszert terveztem, építettem, amelyeknek hardver és szoftver integrációját is kidolgoztam (3.2. ábra).
"Lézerrel szinterelt vagy olvasztott gyorsprototípusok tulajdonságfejlesztése" címmel (T048708) támogatta a kutatásokat. 9. A disszertációval kapcsolatos publikációk [S1] [S2] [S3] [S4] [S5] [S6] [S7] [S8] [S9] [S10] [S11]
3.2. ábra A lézeres szinterezéshez kifejlesztett laboratóriumi berendezés A sugármozgató fejen belül két tükör helyezkedik el X és Y irányoknak megfelelően. A tükröket egy-egy galvano motor mozgatja. A két tükör együttes mozgatásáról asztali számítógépbe helyezett vezérlőkártya gondoskodik. A vezérlőkártya erősítőn keresztül csatlakozik a motorokhoz. A sugármozgatás maximális sebessége 10 m/s. A tükrök nem hűthetőek, ezért a maximális lézer teljesítmény 200W. A fókuszfolt síkban történő mozgását egy f-θ lencse biztosítja. A lencse anyaga cink-szelenid, fókusztávolsága 200 mm, a mozgatórendszer által lefedett munkaterület 100x100 mm. A lézeres szinterezésnél a rétegképzéshez szükséges függőleges mozgatást léptetőmotoros hajtás biztosítja. A léptető motor vezérlője: FRANKE SM2000, a mozgatás pontossága 0,01 mm. 3
[S12] [S13]
[S14]
[S15]
[S16] [S17]
Takács J., Sklánitz A., Lovas A., Herczeg Sz.: Lézeres gyorsprototípus gyártás, 2. Ipari Lézer Alkalmazási Szeminárium, Balatonfüred, 2000. október 26-28., pp. 39-42, ISBN 963421554-8 Sz. Herczeg: Weiterentwicklung der Herstellungsbedingungen für das SLS Rapid Prototyping Verfahren, Neuartige Herstellungs- und Reparaturtechnologien in der Fahrzeugindustrie Kollokvium, Dresden, 20-22. 05. 2001, pp. 35-40, ISSN 1433-4135 Takács J., Herczeg Sz.: Gyors prototípusgyártás – növekvő versenyképesség, Gépgyártás XLI. évf. 7-8. szám, 2001. július-augusztus, pp. 11-18, ISSN 1587-4648 Takács J., Herczeg Sz.: A gyors és minőségi prototípusok előállításának jellemzői, Minőségügyi hírek XVI. évf., 2002. január, pp. 79-109, ISBN 1219-7602 Sz. Herczeg, J. Takács: Das klassische und das Laser-Sintern Methode, Neuartige Herstellungsund Reparaturtechnologien in der Fahrzeugindustrie, Pardubice, 26-28. 05. 2002, pp. 55-64, ISBN 80-7194-449-1 Takács J., Herczeg Sz.: Gyors prototípusgyártás lehetőségei a járműgyártásban, 33. Autóbusz Szakértői Tanácskozás Nemzetközi Gépjárműbiztonsági Konferencia, 2002. szeptember 02-05., CD-ROM, 9. szekció: CAE módszerek a járműgyártásban, ISBN 963 9058 17 3 J. Takács, T. Markovits, Sz. Herczeg: The laser is a new tool in the manufacturing, Production processes and system, volume 1, Miskolc, 2002, pp. 151-159, HU ISSN 1215-0851 Herczeg Sz.: Gazdaságos, termelékeny módszerek, Magyar Műszaki Magazin II. évf. 1. szám, 2003. január-február, pp. 56-57, ISSN 1588-9300 Sz. Herczeg, J. Takács: Matching of subsystems rapid prototyping and optimisation of main process parameters, Materials, technologies, design, maintanance – their application in the field of transportation, Zilina, may 25-27, 2003, pp. 17-20, ISBN 80-8070-074-5 Sz. Herczeg, J. Takács: Matching of subsystems rapid prototyping and optimisation of main process parameters, Materials Engineering, Zilina (Szlovákia), 2003 Volume X, pp. 43-46, ISSN 1335-0803 Takács J., Herczeg Sz.: A gyors prototípusgyártás története és fejlesztési eredményei a lézertechnológiák bázisán, Gépgyártás XLIV. évf. 2004. 2-3. szám, pp. 4-8, HU ISSN 0016-8580 Sz. Herczeg, J. Takács: Influence of scanning speed on the mechanical and structural properties of laser sintered prototypes, Periodica Polytechnica Transport Engineering, Budapest. 2004 32/1-2, pp. 83-90, HU ISSN 0303-7800 Sz. Herczeg, J. Takács, L. Tóth, F. Franek, A. Pauschitz, T. Sebestyén: Tribological investigation of Fe-Ni-Cu based selective-laser-sintered rapid prototype tool models against fibre-reinforced polymer, Advanced Manufacturing and Repair Technologies in Vehicle Industry, Balatonfüred, may 17-19, 2004, pp. 174-178, ISBN 963 420 796 0 Sz. Herczeg, J. Takács, L. Tóth, F. Franek, A. Pauschitz, T. Sebestyén: The effect of sinter parameters on tribological properties of selective-laser-sintered rapid prototype tool elements, Proceedings 8th International Conference on Tribology, Veszprém, Hungary, jun 3-4, 2004, pp. 144-149 Sz. Herczeg, J. Takács, L. Tóth, F. Franek, A. Pauschitz, T. Sebestyén: Investigation of properties of rapid prototype tool elements produced by selective laser sintering, Proceedings of the 11th International Conference on Tools ICT-2004, Miskolc, september 9-11, 2004, pp. 271276, ISSN 1215-0851 Sz. Herczeg, J. Takács, L. Tóth, F. Franek, A. Pauschitz, T. Sebestyén: Tribological analysis of Fe- Ni -Cu alloy produced by selective laser sintering, Laser Assisted Net Shape Engineering 4, Erlangen, september 21-24, 2004, pp. 535-544 in Volume 1, ISBN 3-87525-202-0 Keszte R., Herczeg Sz., Takács J.: Korszerű technológiák a felületei tulajdonságok alakításában, Gyors prototípus készítés fejezete, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 2004, p. 346, ISBN 963 420 789 8
20
- 1000 mm/s koptatási sebesség érték fölött elérve a rövid idejű terhelhetőségi határhőmérsékletet, a súrlódási tényező hirtelen megnő, majd a felület teljes megolvadásáig kisebb értéken állandósul; Megállapítottam, hogy a porozitás növekedése: - az üvegesedési hőmérsékletig növeli a súrlódási tényezőt, - az üvegesedési és a tartós terhelhetőségi határhőmérséklethez közeli érték között a koptatási sebesség növekedésével egyre nagyobb mértékben csökkenti a súrlódási tényezőt, - a rövid idejű terhelhetőségi határhőmérséklet közelében és felette az üvegszál darabok beágyazódása miatt növeli a súrlódási tényezőt. Ez a hatás arányos az anyagban található pórusokkal: minél több a pórus, annál több anyag ágyazódik be, és annál jobban növeli a súrlódási tényezőt. 6. A vizsgált anyagpárral és állandó koptatási sebességgel (1000 mm/s) végzett „henger-tárcsa” kapcsolatú súrlódási vizsgálat alapján megállapítottam, hogy: [S13-S16] a súrlódási tényező a terhelő erő növekedésével csökken, mivel a műanyag felrakódása a fém felületre egyre nagyobb mértékű lesz, módosítva ezzel a műanyag-fém kapcsolatot a műanyag-műanyag kapcsolat irányába; a súrlódási tényező csökkenésének mértéke függ az anyag porozitásától: nagyobb porozitás esetén nagyobb a csökkenés mértéke, amelynek oka, hogy a nagyobb terhelés miatt a kopási folyamat nagyobb mértékben változtatja meg a pórusok szerkezetét; 8. Köszönetnyilvánítás Kutatómunkám során sok munkatárstól, partnertől kaptam segítséget, akiknek ezúton is a köszönetemet fejezem ki. Külön köszönetet mondok témavezetőmnek dr. Takács János professzor úrnak, aki a téma kutatási irányainak, módszereinek kiválasztásában segített, az AC2T Research GmbH kutatóintézet számos dolgozójának, köztük dr. Friedrich Franeknek professzor úrnak, dr. Andreas Pauschitznak és Sebestyén Tamásnak, a tribológiai eredmények kiértékelésében és a konzultációs lehetőségek biztosításában nyújtott segítségéért. Köszönöm a dolgozat írásához, korrektúrájához nyújtott segítségét dr. Lovas Antalnak és dr. Macskási Leventének. A vizsgálatok elvégzésében nyújtott segítségért köszönetem fejezem ki a BME ATT, a BME JJT, az AC2T intézeteknek és a ME Fémtani és Képlékenyalakítástani Tanszék több munkatársának is, köztük dr. Gácsi Zoltánnak és Sólyom Jenőnek. Köszönöm mindazoknak a segítségét, akik a feltételek biztosításával járultak hozzá a munka teljesítéséhez. Továbbá köszönet a TéT alapítványnak, amely a külföldi kutatómunkát segítette "Tribolasertechno" rövid címmel, és az OTKA-nak, amely a "Gyors prototípusgyártás a lézeres szinterezés fejlesztésével" címmel (T025929), és 19
A zárt munkatérben lehetőség van különböző összetételű védőgázok alkalmazására. A munkatérben a védőgázt folyamatosan áramoltattuk. A védőgáz áramlása biztosítja egyben az f-θ optika külső hűtését, valamint védelmét. A tribológiai vizsgálatokat az Austrian Center of Competence for Tribology (AC2T) kutatóintézetben végeztem. A modellvizsgálatok során a súrlódási viszonyok meghatározásához Disk-on-cylinder ("tárcsa a hengeren") rendszerű eszközt használtam (3.3. ábra).
3.3. ábra A tribológiai mérésekhez használt "tárcsa a hengeren" típusú berendezés. A szinterezett darab egy tartóban fixen volt rögzítve, a tárcsa alakú műanyag ellendarab, pedig egy meghajtó tengely körül forgott A súrlódási felületeket a kísérletek előtt felcsiszoltuk (Ra ≈ 1,3 µm), szárítottuk, majd 1 napig állni hagytuk. A henger alakú szinterezett munkadarabot egy rúd végén rögzítettük, a rúd másik végére helyeztük a terhelő súlyokat. A tárcsa alakú koptató ellendarabot a hajtómű tengelyére fogtuk fel. A koptatási sebességet a tengely fordulatszámával állítottuk be. A vizsgálatok során mértük a terhelő erőt, a súrlódó erőt, a munkadarab felületén a hőmérsékletet és számítottuk a súrlódási tényezőt. Az erőket nyúlásmérőkkel mértük ± 5 % pontossággal. A hőmérsékletet a koptatás helyétől 1,5 mm-re elhelyezett gyors érzékelésű tapintó hőmérővel határoztuk meg. A mérési körülmények: szobahőmérsékleten, száraz súrlódás esete (azaz kenőanyagot nem használtam). Egy-egy mérés időtartama 300 s volt, a mérést minden beállítási pontban legalább háromszor ismételtük meg és a mért értékekből átlagot számoltunk. 3.3. Vizsgálatok során használt eszközök A munkadarabok porozitásának meghatározásához hagyományos fénymikroszkópot használtam (ZEISS NEOPHOT 21). A szilárdsági vizsgálatokat INSTRON 1195 típusú egyetemes szakítógépen végeztem. A felületi érdesség méréséhez MITUTOYO Surftest 301 típusú érdesség mérőt, RODENSTOCK RM600 lézeres optikai felületi topográfot, HOMMEL TESTER T4000 típusú érdesség mérőt és NANOFOCUS µSurf® 3 dimenziós számítógépes felületi topográfot használtam. 4
A tribológiai vizsgálatok során a koptatott felületet PHILIPS XL 40 típusú elektron mikroszkóppal vizsgáltuk. A koptatóvizsgálat során a koptató ellendarab fordulatszámát FUJI DIGITAL TACHO kézi fordulatszámmérővel ellenőriztük. A szinterezett munkadarabok tömeg változását SARTORIUS CP2245-0CE mérleggel határoztam meg. A lézeres szinterezéshez használt anyag elektron mikroszkópos felvételeit és mikroszondás összetétel meghatározását a BME ATT PHILIPS XL 30 és JEOL JSM-840 típusú berendezésén készítettük. A por alapanyag és a különböző szinterezett darabok fázisanalízisét a Miskolci Egyetem Fémtani és Képlékenyalakítástani Tanszékén végeztük, egy D8 ADVANCE (BRUKER AXS) röntgendiffrakciós berendezéssel. 4. A lézeres szinterezési kísérletek előkészítése és eredményei 4.1. Fémporok lézeres szinterezését befolyásoló tényezők meghatározása
4.1. ábra A lézeres szinterezés egyszerűsített modellje a hatásirányoknak megfelelően A különböző lézeres megmunkálások során (vágás, hegesztés, forrasztás) a kölcsönhatások főbb tényezőit már összegyűjtötték. A többkomponensű porok lézeres szinterezése esetében, a technológia újszerűsége miatt, még ezek rendszerezése szükséges. Először a lézeres szinterezéshez közel álló lézeres megmunkálásokra (lézeres vágás, lézeres forrasztás, lézeres porfelrakás) ható tényezőket gyűjtöttem össze. A tényezők közül megvizsgáltam, hogy melyeknek lehet szerepe a lézeres szinterezésnél is. Ezeket csoportosítottam és előkísérletek alapján ki is egészítettem. 5
7. A tudományos eredmények összefoglalása tézisekben 1. A kereskedelemben kapható gépeknél szélesebb skálájú paraméter beállítást lehetővé tevő CO2 lézeres szinterelő kísérleti rendszert terveztem (kidolgozva a mechanikai és informatikai hardver és szoftver integrációját is). Technológiai optimalizálást megelőzően teszteltem, működőképességét a lézer szinterelt darab tulajdonsága alapján minősítettem; [S1, S2, S9-S12] 2. Az egy-, illetve a többkomponensű fémporok lézeres szinterelését befolyásoló tényezőket és kölcsönhatásaikat rendszereztem, hatáserőségük alapján kiválasztottam azokat, amelyek optimalizálása a lézer szinterelt darab minőségére erősen hat; [S5, S9-S12, S19] 3. Behatároltam, az adott feltételek (Plézer, lézerfolt átmérő, alapanyag, stb.) esetén, a szinterelt prototípusként még elfogadható kezelési szilárdság elérése alapján a lézersugár pásztázási sebesség tartományát [S9, S12-S15], majd ezen belül optimalizáltam a lézer pásztázási sebesség értékét a legnagyobb nyomószilárdság elérésére; [S9-S12, S16] optimalizáltam a megrepedés kezdetéhez tartozó legnagyobb relatív hosszváltozás (rövidülés) szempontjából a lézer pásztázási sebesség értékét; [S12, S16] 4. A lézer szinterelt prototípusok és szálerősítésű polimerek „henger-tárcsa” kapcsolatú tribológiai rendszerben történő viselkedése alapján az eddig ismert "súrlódási tényező - koptatási út" diagramokat kiegészítettem egy harmadik "tönkremeneteli" szakasszal, meghatároztam a három szakasz ("bejáratódási szakasz", "üzemi szakasz", "tönkremeneteli szakasz") sajátosságait; [S13-S16, S20] 5. A vizsgált anyagpárral állandó (100 N) terhelő erő mellett végzett súrlódási vizsgálatok alapján megállapítottam, hogy az irodalomban elfogadottaktól eltérően, a súrlódási tényező a koptatási sebesség növekedésével nem minden esetben növekszik, esetenként állandó, illetve csökkenhet a darabok porozitása miatt: [S13-S16] A vizsgált anyagpárra megállapítottam, hogy a súrlódási tényező hőmérséklet függése: - a műanyag üvegesedési hőmérsékletéig közel állandó (a vizsgált rendszernél ezt a hőmérsékletet a súrlódási hőből 500 mm/s koptatási sebességnél értük el), - a műanyag üvegesedési hőmérséklete és a tartós terhelhetőségi határhőmérséklethez közeli érték között csökken (a vizsgált rendszernél ez 500 és 1000 mm/s koptatási sebesség értékek között következik be),
18
változtathatók, és a vizsgált folyamatok jól kézben tarthatók. A berendezés mechanikai felépítésén túl elvégeztük annak teljes hardveres és szoftveres integrációját és tesztelését is. Meghatároztam a kiválasztott Fe-Ni-Cu(P) (72 tömeg%-20 tömeg%-8 tömeg%) fémpor keverék CO2 lézeres szinterezéséhez szükséges technológiai adatokat. Megállapítottam, hogy az adott por milyen pásztázási sebesség értékek között szinterezhető, a kezelési szilárdság szempontjából. Meghatároztam, hogy különböző pásztázási sebesség értékeknél lejátszódó folyamatok milyen hatással vannak a szinterezett anyag nyomószilárdságára és relatív hosszváltozására, és meghatároztam ezek értékeit a különböző pásztázási sebességeknél. A lézer szinterezett Fe-Ni-Cu(P) darabok lézertechnológiai adatait tribológiai tulajdonságok alapján is optimalizáltam. A vizsgálatokhoz poliamidot használtam, amely 30%-ban üvegszállal töltött volt. Meghatároztam, hogy a lézer szinterezett próbatest és az üvegszál töltésű poliamid súrlódópár esetén a koptatási út függvényében hogyan változik a súrlódási tényező. Az irodalomban leírt súrlódási tényező diagramot egy harmadik, új szakasszal egészítettem ki mérési eredményeim alapján. A három jellegzetes szakaszon mikroszkópos és topográfiai vizsgálatok alapján feltártam, hogy a különböző szakaszokra milyen kopási folyamatok a jellemzőek. Az irodalomban közreadott súrlódási tényező értékek ellentmondanak egymásnak, ezért meghatároztam a lézer szinterezett darab és az üvegszállal töltött poliamid közötti súrlódási tényező elmozdulási sebesség és a terhelő erő függését. Állandó terhelés alatt végzett tribológiai kísérletek alapján meghatároztam, hogyan változik a súrlódási tényező különböző súrlódási sebesség esetén a különböző porozitású munkadaraboknál. Állandó súrlódási sebesség értéknél meghatároztam a súrlódási tényező változását a terhelő erő függvényében és a porozitás hatását a súrlódási tényezőre változó terhelés értékeknél. Elektronmikroszkópos mérések alapján megfigyeltem egy új jelenséget, amelynek során nagy terhelésnél vagy nagy súrlódási sebesség értékeknél a súrlódási hő hatására az érintkezési felületen a műanyag koptató ellendarab kilágyul. A kilágyult műanyag és az üvegszál töltés beágyazódik a munkadarab porozitásába, megnövelve a súrlódási tényezőt. Az eddigi módszereknél pontosabban sikerült meghatározni az érintkező felületek hőmérsékletét, amelynek segítségével be lehetett határolni a műanyagnak azokat az átalakulási szakaszait, amelyekhez a súrlódási folyamatok változása köthető.
17
Megállapítottam, hogy mely tényezőknek legnagyobb a határerőssége a lézer szinterezett kötésre. Ezek a változtatható bemeneti adatok. Hatásirányuknak megfelelően tovább csoportosítva jutunk el odáig, hogy a kialakuló jellemzőket (mechanikai, fizikai, kémiai) megértsük. A kialakult kapcsolat rendszert a 4.1. ábrán foglaltam össze. A kísérletek során egy tényező hatásának a vizsgálatakor a többi tényezőt a vizsgálat időtartama alatt rögzítettük (paraméteres kísérleteket folytattunk). 4.2. A pásztázási sebesség hatása és korlátai A lézersugár mozgatási sebessége erősen befolyásolja a bevitt energia mennyiségét, ezért szükséges a pásztázási sebesség hatásának vizsgálata. A lézersugár pásztázási sebességét 100 mm/s lépésközökkel különböző értékek között változtattam. Megállapítottam, hogy a vizsgált Fe-Ni-Cu(P) por 200 és 600 mm/s pásztázási sebesség értékek közötti tartományban szinterezhető (4.2. ábra).
4.2. ábra A lézeres szinterezés pásztázási sebesség határai. Kisebb sebesség értékeknél a por alapanyag megolvad, nagy sebesség értékeknél a szemcsék nem szintereződnek össze Ha a pásztázási sebesség kisebb mint 200 mm/s, akkor a fémpor szemcsék nem szintereződnek, hanem megolvadnak. A megolvadt szemcsék a felületi feszültségének következtében megszilárdulás során szabálytalan alakot vesznek fel, ami akadályozza a szinterezés további folyamatát (porterítés 0,1 mm vastagságban). 600 mm/s pásztázási sebesség fölött a szintereződés nem fejeződik be oly mértékben, hogy a por összeálljon szilárd állapotú anyaggá. Az említett pásztázási sebesség határok között, 100 mm/s pásztázási sebesség növeléssel, összesen 5 különböző típusú munkadarabot állítottam elő a kísérletek folyatatására: a 200, 300, 400, 500 és 600 mm/s pásztázási sebességgel szinterezett 6
munkadarabok. A munkadarabok porozitás értékét a 4.1. táblázatban foglaltam össze. A porozitás értékek közötti viszonylag nagy eltérés annak az oka, hogy az egyes komponensek különböző lokálisan bevitt energiasűrűségnél olvadnak meg. A jelenség még további vizsgálatokat igényel. A különböző pásztázási sebességgel lézer szinterezett munkadarabok vizsgálata lehetővé tette az optimális értékek meghatározását. Az optimumot a mechanikai tulajdonságok (nyomószilárdság, relatív hosszváltozás) alapján határoztam meg. 4.1. táblázat A különböző pásztázási sebességgel legyártott munkadarabok porozitása a mért porozitás értékek szórásával Pásztázási Porozitás Szórás sebesség (%) (mm/s) 200 3,4 ± 1,17 300 16,7 ± 2,89 400 7,3 ± 1,20 500 14,7 ± 2,64 600 8,3 ± 2,26
amely tartományig jelentős tulajdonság változással nem kell számolni. A súrlódási tényező vizsgálatok szerint ebben a tartományban a súrlódási tényező közel állandó, a koptatott felület mikroszkópi képe fémes felületet mutat, a felületi érdesség vizsgálatok érdesség csökkenést mutatnak. Az üvegesedési hőmérséklet fölött a 100-150°C tartományban a műanyag lágyul, a szinterezett darabon megjelenik egy vékony felrakódott műanyag réteg, a súrlódási tényező csökken, felületi érdesség változás nem mutatható ki. A poliamid gyártók ebbe a tartományba teszik a műanyag hosszú ideig terhelhető lágy állapotát [31-34].
A saját kutatásokkal párhuzamosan más kutatóhelyeken a szakítószilárdsági adatokat vizsgálták [5, 14], mi a különböző pásztázási sebességgel szinterezett munkadarabok nyomószilárdságát vizsgáltuk.
5.8. ábra A különböző porozitású munkadarabok vizsgálata során mért hőmérséklet értékek 160-170°C-os tartományban elérjük a poliamid terhelhetőségi határát, az anyag szilárdsága lecsökken. Megkezdődik a szinterezett darab pórusaiba a műanyag beágyazódása, a súrlódási tényező hirtelen megnő, a szinterezett munkadarab felületére lerakódó műanyag réteg lekopik, a koptatott felület mélyen barázdált lesz. A nagy porozitás kiszámíthatatlanabbá teszi a munkadarabok olyan tribológiai tulajdonságait, mint a súrlódási tényező és a kopás. Ezért a munkadarabok adott feladatra való elkészítéséhez érdemesebb a kisebb porozitás értékeket biztosító 200, 400 vagy 600 mm/s értékek közül választani. Ezek közül a modell felépítési sebesség és mechanikai szilárdság szempontjait figyelembe véve, az optimum 400 mm/s pásztázási sebesség értéknél található.
4.3. ábra A nyomószilárdság változása a pásztázási sebesség függvényében A 4.3. ábrán látható a pásztázási sebesség és a nyomószilárdság közötti összefüggés. A görbe alakulásának az oka a szintereződés során lejátszódó folyamatok jellemzőinek (pl.: nyakképződés előrehaladásának) változása, amely a lézersugárral 7
6. Az eredmények összefoglalása A dolgozat alapját képző kutatás során meghatároztam a fémporok lézer sugaras szinterezését befolyásoló tényezőket. Rendszerbe foglaltam ezeket és ábrázoltam a köztük lévő kapcsolatokat. Meghatároztam azokat, melyek hatáserőssége a legnagyobb a lézeres szinterezésre. A lézeres szinterezési kísérletek elvégzéséhez megépítettem egy kísérleti berendezést, amellyel a szinterezési paraméterek értékei széles határok között 16
Kis terhelő erő értékeknél (5.6. ábra: 55 - 85 N) a nagyobb porozitás nagyobb súrlódási tényezőt eredményez, a felületi érdesség változása miatt. Nagy terhelő erőnél (5.6. ábra: 100 - 130 N) viszont a porozitás hatása megváltozik, nem növeli, hanem csökkenti a súrlódási tényezőt, az 5.2. fejezetben említett okok miatt. 5.4. Hőmérséklet vizsgálatok a koptatási folyamatokban A műanyag szilárdsági tulajdonságai viszonylag kis hőmérséklet tartományon belül is jelentősen változhatnak. A súrlódási felület hőmérsékletének közvetlen mérésére nem volt lehetőség. Az irodalomban idáig elfogadott volt, hogy a környezeti hőmérséklet értékét adták meg, viszont a súrlódási hő miatt a kapcsolódási felület tényleges hőmérséklete nagyobb ennél.
történő szinterezés miatt különbözik a tisztán hővezetés miatt létrejött hagyományos szinterezéstől. A részfolyamatok fizikai háttere nem teljesen ismert, ezért szükségesnek tartottam a lehetséges fázisátalakulások vizsgálatát is a szintereződési folyamat előrehaladásának függvényében. A lézeres szinterezés során lejátszódó fázisátalakulások irányának és mértékének meghatározásához elvégeztük a kiindulási porkeverék és a különböző pásztázási sebességgel szinterezett darabok röntgendiffrakciós fázis-analízisét. A mérési eredmények a 4.4. ábrán foglaltam össze.
A valóságban az érintkezési felület hőmérséklete nem homogén, a vizsgálatok során kvázi homogén állapotot tételeztem fel. Az érintkezési felület hőmérsékletének eddigieknél pontosabb meghatározására tapintó hőmérőkből álló rendszert építettünk fel. A 5.7. ábrán látható elrendezés alapján a különböző hőmérők adataiból érintkezési felületen a hőmérsékletet meghatározható. A többi mérésnél elég volt csak egy tapintó hőmérőt elhelyezni a szinterezett munkadarab felületén, és jó közelítéssel következtetni lehetett az érintkezési felület hőmérsékletére.
4.4. ábra A különböző anyagokra felvett diffraktogramok, és a különböző fázisokra jellemző intenzitás csúcsok helyei (az intenzitás értékek egymáshoz képest eltoltak)
5.7. ábra Hőmérséklet meghatározás az érintkező felületen tapintó hőmérőkkel A 5.8. ábra diagramjain a hőmérséklet értékeket a porozitás és a koptatási sebesség függvényében ábrázoltam. A 5.8. ábrán látható, hogy a kapcsolódási felület mért maximális hőmérséklete 240-260°C. Ez azt jelenti, hogy a két súrlódó pár közül a változásokat elég a PA 66-GF30 műanyagra vizsgálni. Kisebb koptatási sebességnél a hőmérséklet kb. 50-100°C közötti tartományban marad. Ebbe a tartományba esik alapanyagunk üvegesedési hőmérséklete [31-34], 15
Mint ahogy már említettem, a lézeres szinterezési kísérletekhez használt porkeverék összetétele: 72 tömeg% Fe por, 20 tömeg% Ni por és 8 tömeg% foszforbronz por. A foszforbronz eutektikus összetételű, 8,4 tömeg% foszfort tartalmaz. A porkeverék összetételének megfelelően négy fázis található a kiindulási anyagban: α-Fe, nikkel és a Cu-P fázis diagramnak megfelelően a foszforbronz Cu és Cu3P fázisokból áll. Ez a négy fázis azonosítható a por alapanyag diffraktrogramján. A kiindulási porkeveréket pásztázó mozgást végző lézersugárral melegítettük. A lézersugár nagyobb pásztázási sebessége kisebb energia-bevitelt jelent, a kisebb pásztázási sebesség pedig nagyobb bevitt energiának felel meg. A diffraktogramokról látszik, hogy nagyobb energia-bevitel hatására a szintereződés mértéke fokozódik. A lézeres szinterezés során a felterített porrétegben a hőmérséklet eloszlás inhomogén, a különböző anyagú porszemcséknek eltérő lézersugár abszorpciós foka. A lézeres szintereződés során ezért nem keletkezhetnek egyensúlyi fázisok az 8
inhomogén hőmérséklet eloszlás és a rendelkezésre álló időkorlátok miatt. Ez azt is jelenti, hogy a beinduló diffúzió sem hozhat létre egyensúlyi koncentráció viszonyokat. A 4.4. ábrán jól látható, hogy a bevitt energia növelésével az α-Fe és a Ni fázisok mennyisége csökken, és egy új fázis keletkezik, amely a rácsparaméterek alapján egy felületen középpontos kockarácsú - nyilván vas- és nikkeltartalmú - fázis. Ugyanakkor a kezdeti Cu3P fázis mennyisége is csökken a szintereződés előrehaladtával. Az új fkk térrácsú fázis úgy alakul ki, hogy Ni diffundál a Fe-ba. A lézeres szinterezés hőmérsékletén a Fe gamma fázis formájában van jelen. A diffúziós folyamat lefolyása és a korlátozott reakció idő miatt a porszemcsék felületének közelében változó Ni-koncentráció alakul ki. A γ-Fe fázis azon részében, ahol nem elég nagy a Ni tartalom, a γ fázis α-Fe fázissá alakul vissza. Ahol viszont elég nagy a Ni tartalom, ott a γ-Fe fázist a Ni oly mértékben stabilizálja, hogy az a szobahőmérséklet tartományában is megmarad. Lézeres szinterezés során a Cu3P fázis mennyisége csökken, ha ez azt jelenti, hogy a rézfoszfid felbomlik, és réz válik szabaddá, akkor ez vagy feloldódik az fkk térrácsú fázisban vagy önálló fázisként jelenik meg. A γ-vas és a réz fázisok rácsparaméterének egyezősége (3,597 ill. 3,6 Å) és a kis mennyiségek miatt ennek egyértelmű eldöntése nem lehetséges. Mivel a γ-vas és a réz fázisok rácsparamétere szinte megegyezik, ennek megfelelően a két fázist együtt jelöltük a 4.4. ábrán. Egy anyag nyomó igénybevétel során mutatott viselkedésénél nem csak a nyomószilárdság értékei a fontosak, hanem az is, hogy az anyag a tönkremenetelig (megrepedés) milyen hosszváltozásra képes, azaz milyen a rugalmassága. Ennek az értéknek az ismerete egy munkadarab számítógépes szimulációjánál van segítségünkre. A különböző szinterezett munkadaraboknak összehasonlítottam a repedés kezdetükhöz tartozó relatív hosszváltozás értéküket (4.5. ábra).
4.5. ábra A relatív hosszváltozás a pásztázási sebesség függvényében 9
diagramot is, amely a porozitás hatására mutatja be a súrlódási tényező változását (5.6. ábra).
5.5. ábra A súrlódási tényező változása a terhelő erő függvényében (Fe-Ni-Cu(P) lézer szinterezett anyag és PA 66-GF30 műanyag között) A terhelő erő növekedése a Fe-Ni-Cu(P) és PA 66-GF30 súrlódópár esetén a súrlódási tényező csökkenését eredményezi, ami megfelel az irodalmi adatok alapján feltételezettnek.
5.6. ábra A súrlódási tényező változása a munkadarab porozitásának függvényében (Fe-NiCu(P) lézer szinterezett anyag és PA 66-GF30 műanyag között 14
(kopás). Ha a pórusok éles sarkai lekopnak, csökken a felületi érdesség, ezzel együtt a súrlódó erő. Nagyobb koptatási sebesség értékeknél (1000 - 1200 mm/s) továbbra is megfigyelhető a koptatási sebesség növekedésének súrlódási tényezőt csökkentő hatása. Nem várt jelenség viszont, hogy ebben az adott koptatási sebesség tartományban a porozitás nem csökkenti a súrlódási tényezőt, hanem újból növeli azt (a 5.3. ábrán 'G'-vel jelzett terület). A hőmérséklet mérési és az elektron mikroszkópos vizsgálatok alapján megállapítottam, hogy a súrlódási hőtől annyira felmelegszik a műanyag koptató ellendarab, hogy felületi rétege megolvad. A felületén megolvadt műanyag és a felületéről levált töredezett üvegszál beágyazódik a pórusokba, növelve a súrlódási tényezőt. Ez a hatás arányos az anyagban található pórusokkal. A pórusokba beágyazódott műanyagról és üvegszál darabokról készített SEM képek a 5.4. ábrán láthatóak.
5.4. ábra A megolvadt műanyag és a töredezett üvegszál darabok a koptatás folyamán beágyazódnak a lézer szinterezett darab pórusaiba (a képek Fe-Ni-Cu(P) lézer szinterezett anyag és PA 66-GF30 műanyag koptatási folyamata után készültek) 5.3. A terhelő erő hatása a súrlódási tényezőre A vizsgálatokban a terhelő erő 55, 70, 85, 100, 115 és 130 N értékei mellett a koptatási sebesség 1000 mm/s volt. A súrlódási tényező értékeit adott terhelésnél diagramon ábrázoltam (5.5. ábra). A mért értékekből felrajzoltam egy másik 13
Az előbb említett fázis viszonyok miatt a pásztázási sebességet csökkentve az anyagban a lágyabb szemcsék kerülnek túlsúlyba, növelve a rugalmasságot. A diagramok alapján megállapítottam, hogy kisebb pásztázási sebesség értékeknél nagyobb mechanikai szilárdság érhető el. A 200 és a 300 mm/s értékek közül a gyorsabb modellfelépítést lehetővé tevő 300 mm/s értéket érdemes termelékenységi szempontból választani. 5. A tribológiai vizsgálatok eredményei 5.1. Súrlódási tényező változása a súrlódási út függvényében A tribológiai tulajdonságra nincsenek az irodalomban adatok, ezért tartottuk fontosnak ezek vizsgálatát. Első lépésben súrlódási tényező elmozdulás (út) függését határoztuk meg. A súrlódási viszonyokat a lézer szinterezett Fe-Ni-Cu(P) és az üvegszállal töltött PA 66 GF30 műanyaggal több terhelési állapotban (55, 70, 85, 100, 115, 130 N) és több súrlódási sebesség értéknél (300, 500, 700, 800, 900, 1000, 1100 és 1200 mm/s) vizsgáltuk. Megállapítható, hogy a súrlódási tényező változása minden esetben hasonló jellegű, bár értéke - értelemszerűen - mindig változik. A 5.1. ábrán egy jellemző diagram látható.
5.1. ábra A súrlódási tényező változása a súrlódási út függvényében A) bejáratódási szakasz, B) üzemi szakasz, C) tönkremeneteli szakasz Idáig a súrlódási görbéket két jellegzetes szakaszra lehet bontani: egy kezdetben meredeken emelkedő A) felfutási tartományra és egy megközelítőleg állandó B) üzemi tartományra. Megállapítottam, hogy a súrlódási görbe a vizsgált anyagpár esetén nem csak kettő, hanem három szakaszra bontható fel. A B) üzemi tartomány után következik egy instabil emelkedő C) tönkremeneteli tartomány. 10
A különböző szakaszokban megmértem mind a munkadarab, mind a koptató ellendarab felületi érdességét és felületi topográfiáját. Valamint optikai- és elektronmikroszkóppal ellenőriztem a kopási felületet. A munkadarab felületi érdessége a vizsgálat előtt Ra mdb A = 1,32 µm, az ellendarabé Ra edb A = 1,59 µm volt. A felfutási tartományban a súrlódási tényező egy adott értékig emelkedik, mivel az érintkezési felület a kopás miatt gyorsan nő. A szinterezett munkadarab felületi érdessége Ra mdb B = 0,52 µm értékig csökken, a műanyag koptató ellendarab felületi érdessége pedig Ra edb B = 0,68 µm értékig. Az üzemi tartományban a súrlódási tényező értéke megközelítőleg állandó marad, mivel a kopási viszonyok jelentősen nem változnak. A tönkremeneteli tartományban a súrlódási tényező értéke emelkedik. Az üvegszál erősítésű műanyag koptató ellendarab felületéről a műanyag gyorsabban kopik, mint az üvegszál, így a felületen megjelenő üvegszál darabok növelik a felületi érdességet (a munkadarabét Ra mdb C = 4,92 µm értékig). A súrlódási tényező idő (ill. súrlódási út) függése miatt a súrlódási tényező értéken mindig az üzemi (B jelű) tartományban mért értéket értem.
A súrlódási tényező mért értékeit a koptatási sebesség függvényében az 5.2. ábra szemlélteti. A diagramok három fő részre bonthatók: egy közel állandó vízszintes D) szakaszra, egy határozott csökkenést mutató E) szakaszra, és egy kisebb értéken stabilizálódó F) szakaszra. Kis porozitásnál a koptatási sebesség növekedésével a súrlódási tényező csökken (5.2. ábra), mivel a nagyobb koptatási sebesség akadályozza az adhéziós kapcsolatok létrejöttét. Ez hasonló az irodalomban a tömörfém-poliamid súrlódópárnál leírt jelenséghez [28], tehát a kis porozitás a vizsgált anyagpárnál sem befolyásolja jelentősen a súrlódási viszonyokat. A porozitás hatásának a pontosabb szemléltetéséhez a 5.2. ábrán látható súrlódási értékeket a porozitás függvényében is ábrázoltam (5.3. ábra).
5.2. Koptatási sebesség hatása a súrlódási tényezőre A terhelő erőt (normál erő) konstans 100 N értéken tartva a koptatási sebességet 300, 500, 700, 800, 900, 1000, 1100 és 1200 mm/s értékeken vizsgáltam mind az öt fajta lézer szinterezett munkadarabnál. A súrlódási tényező változása nem a pásztázási sebesség változtatásával mutatott szorosabb összefüggést, hanem a munkadarabok porozitásával, ezért a vizsgálatok során a munkadarabokat a porozitásuk alapján jelöltem, amelynek értékei: 3,4%; 7,3%; 8,3%; 14,7% és 16,7%.
5.3. ábra Különböző porozitású lézer szinterezett munkadarabok és üvegszállal erősített poliamid műanyag közti súrlódási tényező változása különböző koptatási sebesség értékeknél
5.2. ábra A súrlódási tényező változása a koptatási sebesség függvényében (Fe-Ni-Cu(P) lézer szinterezett anyag és PA 66-GF30 műanyag között)
11
A 5.3. ábra segítségével megfigyelhető, hogy kisebb koptatási sebesség értékeknél (300 - 500 mm/s) a porozitás növekedésével nő a súrlódási tényező értéke. Ez annak a következménye, hogy a munkadarab felülete felé nyitott pórusok éles sarkokkal rendelkeznek, és mivel kis koptatási sebesség értékeknél a munkadarab kopása nem jelentős [31] a nagyobb porozitás nagyobb felületi érdességet jelent. A lágy műanyag nagy felületi érdesség esetén megnöveli a súrlódás deformációs erő komponensét, ennek hatására nő a súrlódási tényező. A koptatási sebesség növekedésével (700 - 900 mm/s) a porozitás hatása megváltozik: csökkenti a súrlódási tényezőt. Elektron- és fénymikroszkópos felvételek alapján megállapítható, hogy ennek oka a lézerrel szinterezett anyag pórusainak sarokkopása. Növekvő koptatási sebességgel nő az anyagleválás 12
